高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究

D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2010.10.015 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng 0ct2010 高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 范正赟)张建良D蒋海冰D杨天钧”有山达郎》王传琳” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100032)东北大学多元物质科学研究所日本980-85T 摘要利用三维离散元法对5000m高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均一消耗条件下，炉内固体炉料的速度、应力分布以 及炉墙和炉底的受力情况进行了分析.结果发现炉口料面料层结构、炉料速度和应力以及炉墙炉底受力呈非对称性分布，死 焦堆增高。且在其表面存在狭长的滑动粒子带. 关键词高炉：固体流：离散元：模拟 分类号TF572 Ana lysis of solid flow in blast furnaces under circum ferential nonun ifom coke consum ption FAN Zheng yur).ZHANG Jian liang).JIANG Haibng,YANG Tan ji)AR NAMA Tatsure)WANG Chuan li) 1)School ofMe mllurgical and Eookg icalEng ineering Universit of Sc ience and Techokgy Beijng Beijing 100083 China 2)Instime ofMultidiscplinany Research orAdvanced Maeras Tohoku Un iversity Sendai980-8577 Japan ABSTRACT The solid fpw n a 5000m blast fumace was stud ied by a hree dienspnal d iscree elementmethod from he aspect of vepcity stress distrbution stess acting on the wall and botrm under ciram feren tal non un ifom coke consumption in he race way The resu lts show that an asymetric solid flow pms n the blast fumace including the asymmetric distributons ofburden layer particle velocity and stress beween particles and he asymmetric stess acting on he wall and botom It is ajo faind that the height of deadn an ncreases and there is a slpp ng region near he surface of deadn an KEY WORDS blst fumaces sold foy discrete ekmentmethod smulation 目前，如何降低C的排放量己经成为了全球 出发就风口回旋区焦炭非均一消耗对高炉内炉料 性的课题.就炼铁工艺来说低还原剂操作是实现 的速度、应力分布和炉料瞬态运行行为，以及炉墙炉 吨铁低C排放量的有效方法.然而，低还原剂操 底的受力情况进行了研究. 作，会引起非稳定、非连续的现象，降低高炉操作的 稳定性·.如何预测和控制非稳定现象的发生则显 1模拟模型 得尤为重要.离散元法(discrete ekment method 1.1控制方程 DM)作为一种基于牛顿第二运动定律的模拟方 本文采用了弹簧阻尼模型来计算颗粒间以及 法，已经被广泛地应用于高炉治炼领域均 颗粒与墙体间的相互作用，如图1所示. 焦炭是一种主要的入炉原料，在高炉运行中起 颗粒所受的法向力F,和切向力E的计算公 着重要的作用.高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均 式如下： 一消耗将直接影响上部固体炉料的行为.一些研究 △4 己经通过冷态模拟实验对上述情况进行了分 Fn K△4十 (1) 析6-，但由于模型本身的限制，未能反映出微观颗 粒行为.本文则根据三维离散单元法，从力学角度 Ei=m单|E专K(△马十△中)十 收稿日期：2010-02-05 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(N02D06BA03A01) 作者简介：范正筱(1980，男.博士研究生：张建良(1965，男，教授，博士生导师，Ema1h@meⅡus站edum

第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 范正赟 1) 张建良 1) 蒋海冰 1) 杨天钧 1) 有山达郎 2) 王传琳 1) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2)东北大学多元物质科学研究所, 日本 980--8577 摘 要 利用三维离散元法对 5 000m3高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均一消耗条件下 , 炉内固体炉料的速度、应力分布以 及炉墙和炉底的受力情况进行了分析.结果发现, 炉口料面料层结构、炉料速度和应力以及炉墙炉底受力呈非对称性分布, 死 焦堆增高, 且在其表面存在狭长的滑动粒子带. 关键词 高炉;固体流;离散元;模拟 分类号 TF572 Analysisofsolidflowinblastfurnacesundercircumferentialnon-uniform coke consumption FANZheng-yun1) , ZHANGJian-liang1) , JIANGHai-bing1) , YANGTian-jun1) , ARIYAMATatsuro2) , WANGChuan-lin1) 1)SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)InstituteofMultidisciplinaryResearchforAdvancedMaterials, TohokuUniversity, Sendai980-8577, Japan ABSTRACT Thesolidflowina5 000m3 blastfurnacewasstudiedbyathree-dimensionaldiscreteelementmethodfromtheaspects ofvelocity, stressdistribution, stressactingonthewallandbottomundercircumferentialnon-uniformcokeconsumptionintherace￾way.Theresultsshowthatanasymmetricsolidflowformsintheblastfurnace, includingtheasymmetricdistributionsofburdenlayer, particlevelocityandstressbetweenparticlesandtheasymmetricstressactingonthewallandbottom.Itisalsofoundthattheheightof deadmanincreasesandthereisaslippingregionnearthesurfaceofdeadman. KEYWORDS blastfurnaces;solidflow;discreteelementmethod;simulation 收稿日期:2010-02-05 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAE03A01) 作者简介:范正赟(1980— ), 男, 博士研究生;张建良(1965—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:jl.zhang@metall.ustb.edu.cn 目前 ,如何降低 CO2的排放量已经成为了全球 性的课题 .就炼铁工艺来说, 低还原剂操作是实现 吨铁低 CO2排放量的有效方法 .然而 , 低还原剂操 作, 会引起非稳定、非连续的现象 , 降低高炉操作的 稳定性 [ 1] .如何预测和控制非稳定现象的发生则显 得尤为重要 .离散元法 (discreteelementmethod, DEM) [ 2]作为一种基于牛顿第二运动定律的模拟方 法, 已经被广泛地应用于高炉冶炼领域 [ 3--5] . 焦炭是一种主要的入炉原料 ,在高炉运行中起 着重要的作用 .高炉圆周方向风口回旋区焦炭非均 一消耗将直接影响上部固体炉料的行为 .一些研究 已经通过 冷态模拟 实验对上述 情况进行 了分 析 [ 6--7] ,但由于模型本身的限制 ,未能反映出微观颗 粒行为.本文则根据三维离散单元法, 从力学角度 出发,就风口回旋区焦炭非均一消耗对高炉内炉料 的速度 、应力分布和炉料瞬态运行行为,以及炉墙炉 底的受力情况进行了研究 . 1 模拟模型 1.1 控制方程 本文采用了弹簧 --阻尼模型来计算颗粒间以及 颗粒与墙体间的相互作用 ,如图 1 所示. 颗粒所受的法向力 Fn, ij和切向力 Ft, ij的计算公 式如下 : Fn, ij= KnΔun, ij+ηn Δun, ij Δt nij (1) Ft, ij=min μ Fn, ij tij, Kt(Δut, ij+Δ ij)+ DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.10.015

。1328 北京科技大学学报 第32卷 位移的关系，运动方程为牛顿第二运动定律，分别由 以下两个方程控制颗粒的线性运动和转动. dt 2Fnⅱ (3) -Σ(T4M) (4) 式中，V,w分别为线速度和角速度：m为颗粒的质 量；为颗粒的转动惯量：T为由弹性力和黏性力引 起的力矩；M为由滚动摩擦引起的滚动摩擦矩，以 抵抗颗粒的滚动；F,为作用在颗粒上的法向力. 由于实际高炉内的焦炭和矿石多为不规则形， 对颗粒的滚动起到了很大的阻碍作用.模拟中使用 了球形的颗粒，为弥补这一不足，引入滚动摩擦以抵 抗炉料颗粒的滚动，其滚动摩擦矩计算公式 如下： M=-gal (5) 式中，《、和F,分别为滚动摩擦因数、颗粒间接触 区半径和法向力. 图1颖粒间作用模型及接触力示意图.()弹簧阻尼模型： 联立式(1)至式(5，采用中心差分法进行显示 (b)颗粒间接触力示意图 Fg 1 Schematic iljustration of interaction beween partic ks a) 迭代求解.整个求解过程在W indows XP平台下，利 spring dashpotmodel b)schema tic illustration of contact foce be 用Fortran编译器实现. ween panic les 1.2模拟条件 本文仅对5000m高炉右侧10个风口作业时， △4十△中 △tJ (2) 炉内固体炉料的行为进行了模拟，高炉的几何尺寸 式中，K?和μ分别为弹性系数、阻尼系数和滑动摩 示意图见图2(.图2(b为高炉风口高度横向切 擦因数：△和△中分别为颗粒的线位移和角位移： 面图，表明作业风口与非作业风口的位置.铁口被 和份别为颗粒到颗粒的法向矢量和切向 置于炉底以上4.4处，计算中考虑了炉缸下部的 矢量 铁液的浮力作用，使铁液保持在铁口高度.风口回 离散元模型中颗粒的运动计算主要体现在力与 旋区被假设为椭圆形，一旦焦炭颗粒进入其内，立刻 消失.软融带内炉料的软融行为并没有被考虑，为 ò11.10 000000 10个作业风口 ● 风！1同旋区 铁口 ○左侧非作业风口 。右侧作业风口 (a 图2高炉模型三维几何示意图.()高炉几何尺寸（单位：m:()风口高度横向切面 Fg 2 Schematic digrm ofa blst fumace in threedin ensiop (a)geonetry of the blast fumace(unit m)(b)horizontal sectin at uyere level

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 1 颗粒间作用模型及接触力示意图.(a)弹簧阻尼模型; (b)颗粒间接触力示意图 Fig.1 Schematicillustrationofinteractionbetweenparticles:(a) spring-dashpotmodel;(b)schematicillustrationofcontactforcebe￾tweenparticles ηt Δut, ij+Δ ij Δt tij (2) 图 2 高炉模型三维几何示意图.(a)高炉几何尺寸(单位:m);(b)风口高度横向切面 Fig.2 Schematicdiagramofablastfurnaceinthree-dimension:(a)geometryoftheblastfurnace(unit:m);(b)horizontalsectionattuyerelevel 式中 , K, η和 μ分别为弹性系数、阻尼系数和滑动摩 擦因数;Δu和 Δ 分别为颗粒的线位移和角位移; nij和 tij分别为颗粒 i到颗粒 j的法向矢量和切向 矢量 . 离散元模型中颗粒的运动计算主要体现在力与 位移的关系 ,运动方程为牛顿第二运动定律,分别由 以下两个方程控制颗粒的线性运动和转动 . m dVi dt =΢Fn, ij (3) I dωi dt =΢(T+Mr) (4) 式中, Vi、ωi分别为线速度和角速度 ;m为颗粒的质 量 ;I为颗粒的转动惯量 ;T为由弹性力和黏性力引 起的力矩;Mr为由滚动摩擦引起的滚动摩擦矩, 以 抵抗颗粒的滚动 ;Fn, ij为作用在颗粒上的法向力 . 由于实际高炉内的焦炭和矿石多为不规则形 , 对颗粒的滚动起到了很大的阻碍作用 .模拟中使用 了球形的颗粒,为弥补这一不足 ,引入滚动摩擦以抵 抗炉料颗粒的滚动 [ 8--9] , 其滚动摩擦矩计算公式 如下: Mr=- 3 8 αb Fn, ij (5) 式中, α、b和 Fn, ij分别为滚动摩擦因数、颗粒间接触 区半径和法向力 . 联立式 (1)至式(5),采用中心差分法进行显示 迭代求解.整个求解过程在 WindowsXP平台下 ,利 用 Fortran编译器实现. 1.2 模拟条件 本文仅对 5 000 m 3高炉右侧 10个风口作业时 , 炉内固体炉料的行为进行了模拟, 高炉的几何尺寸 示意图见图 2(a).图 2(b)为高炉风口高度横向切 面图,表明作业风口与非作业风口的位置.铁口被 置于炉底以上 4.4 m处 , 计算中考虑了炉缸下部的 铁液的浮力作用, 使铁液保持在铁口高度.风口回 旋区被假设为椭圆形 ,一旦焦炭颗粒进入其内 ,立刻 消失.软融带内炉料的软融行为并没有被考虑 ,为 · 1328·

第10期 范正赟等：高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 。1329 保证计算的合理性，假设存在一软融带，即图2中的 粒，对冷态实验小高炉内物料的下降行为进行模拟. 曲线A当矿石通过曲线A后转化成液体，即矿石 发现颗粒尺寸的变化并不会对炉料的下降行为产生 不再参与计算.为了减少计算量，缩短计算时间提 影响.在参数选择方面，Natu等9曾对模拟中焦 高计算效率仅对180°高炉内的固体颗粒进行了计 炭参数进行了优化与选择，因此本文采用了与其 算.同时由于实际焦炭的尺寸为05~5四那么 一致的参数.另外，由于入炉含铁原料种类繁多， 5000㎡高炉内的颗粒将数以千万计，甚至过亿：而 包括矿石、烧结矿和球团矿，其滑动摩擦因数变化 在现有的计算机条件下，无法实现模拟.因此模拟 范围较大，难以确定.因此本模拟中暂时选取与焦 中选用了较大的颗粒，但相对于5000高炉尺寸来 炭相同的摩擦因数.表1列出了计算中使用的物 说仍较小.Na等9也曾采用两种不同尺寸的颗 性参数. 表1模拟中使用的物性参数 Table1 Param eters used in smu la ton 直径/ 密度/ 杨氏模 滑动摩擦 滚动摩擦 时步/ 热铁液密度/ 颗粒 物料 合 (k8r3) 量/GPa 因数 因数 (k8m-3) 总数 焦炭 04 1100 6 0.63 25 10-4 6700 390000 铁矿 02 4000 6 063 1.25 2计算结果与讨论 21料层的分布 图3是仅右侧10个风口作业情况下，高炉内炉 料分布纵向切面图，图形比例1400图中的灰色圆 代表了焦炭，红色圆代表了矿石.可以看出，炉口处 料面呈现左右非对称形左侧料面明显低于右侧料 面.从整个炉身来看，右侧炉料层形状保持良好，矿 焦交替分布.由于中心炉料向右偏移.使得左侧炉 身中下部料层变薄，且发生了矿焦混合现象，这与 Shmu吸Takahas等6-的实验结果基本一致. 此外，由于上部炉料的非对称分布，造成了炉缸内焦 炭受力的非一致性，使得炉缸底部左侧的无焦空间 图3高炉内料层分布 Fg3 Distrbuton of burden lyer n BF 小于右侧无焦空间. 22炉料速度分布 2.3炉料应力分布 图4是在右侧10个风口操作下颗粒速度分布 根据离散元基本原理，颗粒在同其周围颗粒 图，图形比例1400可以看出：由于左侧炉身中下 相接触后，会发生形变从而引发应力.其中颗粒 部炉料不断向右下方向运动，使得左侧炉身上部料 受到的法向应力Gn和切向应力G,:分别可以由下 面附近颗粒运动速度大于右侧颗粒运动速度：而左 式计算而得： 侧风口关闭，致使左侧炉身中部以下颗粒下降速度 0p= F /(xD) (6) 大幅降低，形成了较高的死焦堆，其内颗粒以最低的 速度运动，如图中深蓝色区域所示.这一结果与 0= ∑B /(π) (7) Nau等o的研究结果不同，可能是由于Natu等 选用了较小的高炉进行模拟，炉腰、炉腹直径较小， 其中，F和E份别代表了颗粒作用于颗粒让 在炉料下降过程中，炉料颗粒沿高炉半径方向运动 的法向力和切向力，D代表了颗粒的直径 受到限制，使得炉料的偏流现象并不明显.因此对 图5(a,.(b分别是在右侧10个风口作业下， 大型高炉操作来说，应避免圆周方向焦炭非均一消 炉内颗粒所受法向应力和切向应力分布纵向切面 耗情况的发生

第 10期 范正赟等:高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 保证计算的合理性 ,假设存在一软融带 ,即图 2中的 曲线 A.当矿石通过曲线 A后转化成液体, 即矿石 不再参与计算 .为了减少计算量 ,缩短计算时间, 提 高计算效率,仅对 180°高炉内的固体颗粒进行了计 算.同时由于实际焦炭的尺寸为 0.5 ～ 5 cm, 那么 5 000 m 3高炉内的颗粒将数以千万计 , 甚至过亿;而 在现有的计算机条件下 ,无法实现模拟 .因此模拟 中选用了较大的颗粒,但相对于 5 000m 3高炉尺寸来 说仍较小 .Natsui等 [ 5]也曾采用两种不同尺寸的颗 粒 ,对冷态实验小高炉内物料的下降行为进行模拟 . 发现颗粒尺寸的变化并不会对炉料的下降行为产生 影响 .在参数选择方面 , Natsui等 [ 9] 曾对模拟中焦 炭参数进行了优化与选择 , 因此本文采用了与其 一致的参数 .另外, 由于入炉含铁原料种类繁多, 包括矿石、烧结矿和球团矿, 其滑动摩擦因数变化 范围较大, 难以确定 .因此本模拟中暂时选取与焦 炭相同的摩擦因数.表 1列出了计算中使用的物 性参数 . 表 1 模拟中使用的物性参数 Table1 Parametersusedinsimulation 物料 直径 / m 密度 / (kg·m-3) 杨氏模 量 /GPa 滑动摩擦 因数 滚动摩擦 因数 时步 / s 热铁液密度 / (kg·m-3 ) 颗粒 总数 焦炭 0.4 1 100 6 0.63 2.5 10 -4 6 700 390 000 铁矿 0.2 4 000 6 0.63 1.25 2 计算结果与讨论 2.1 料层的分布 图 3是仅右侧 10个风口作业情况下 ,高炉内炉 料分布纵向切面图 ,图形比例 1∶400.图中的灰色圆 代表了焦炭,红色圆代表了矿石.可以看出 , 炉口处 料面呈现左右非对称形, 左侧料面明显低于右侧料 面.从整个炉身来看,右侧炉料层形状保持良好, 矿 焦交替分布.由于中心炉料向右偏移, 使得左侧炉 身中下部料层变薄 , 且发生了矿焦混合现象 , 这与 Shimizu及 Takahashi等 [ 6--7] 的实验结果基本一致. 此外 ,由于上部炉料的非对称分布 ,造成了炉缸内焦 炭受力的非一致性 ,使得炉缸底部左侧的无焦空间 小于右侧无焦空间 . 2.2 炉料速度分布 图 4是在右侧 10个风口操作下颗粒速度分布 图, 图形比例 1∶400.可以看出:由于左侧炉身中下 部炉料不断向右下方向运动, 使得左侧炉身上部料 面附近颗粒运动速度大于右侧颗粒运动速度;而左 侧风口关闭,致使左侧炉身中部以下颗粒下降速度 大幅降低 ,形成了较高的死焦堆,其内颗粒以最低的 速度运动, 如图中深蓝色区域所示.这一结果与 Natsui等 [ 10]的研究结果不同 ,可能是由于 Natsui等 选用了较小的高炉进行模拟, 炉腰 、炉腹直径较小, 在炉料下降过程中 ,炉料颗粒沿高炉半径方向运动 受到限制 ,使得炉料的偏流现象并不明显.因此, 对 大型高炉操作来说 ,应避免圆周方向焦炭非均一消 耗情况的发生 . 图 3 高炉内料层分布 Fig.3 DistributionofburdenlayerinBF 2.3 炉料应力分布 根据离散元基本原理, 颗粒 i在同其周围颗粒 相接触后, 会发生形变从而引发应力.其中颗粒 i 受到的法向应力 σn, i和切向应力 σt, i分别可以由下 式计算而得 : σn, i= ∑ Fn, ij /(πD 2 i) (6) σt= ∑ Ft, ij /(πD 2 i) (7) 其中, Fn, ij和 Ft, ij分别代表了颗粒 j作用于颗粒 i上 的法向力和切向力, Di代表了颗粒 i的直径. 图 5(a)、(b)分别是在右侧 10个风口作业下 , 炉内颗粒所受法向应力和切向应力分布纵向切面 · 1329·

。1330 北京科技大学学报 第32卷 图，图形比例1400从图5(a)河以看出：与图4中 死焦堆（深蓝色区域相对应的区域处于网状结构 04- 的高法向应力区，这种网状结构应力分布与Nouchi 等的研究结果一致，起到了支撑上部炉料的作 0.3 用：而右侧除炉身中部炉墙附近炉料外，均处于低法 向应力区域.这是由于在左侧炉料下降过程中，伴 0.2 随有明显右向运动，对右侧炉身处炉料形成积压，使 其所受应力增大.同时，由于主流区内炉料运动速 0.1 度较快，从而弱化了颗粒间的有效接触因此受到了 较小的法向应力.此外，由于上部应力的非对称性 分布，造成了炉缸内焦炭颗粒所受法向应力的非平 衡性，炉缸内左侧焦炭颗粒受力明显高于右侧焦炭 图4高炉内颗粒速度分布 受力，致使左侧的无焦空间小于右侧无焦空间，进而 F4 Distributin of partic e vebcity n BF 可能会影响炉缸内铁液的流动.从图5(b)河以看 a (b) 0.6 0.4 05 02 MPa MPa 图5高炉内颗粒受法向应力()和切向应力(b)分布纵向切面图 Fg 5 Disrbution of nommal stress and shear stess(b)be ween partic les n B n vertical section 出，颗粒所受的切向应力分布情况与法向应力分布 粒滑动指数分布纵向切面图.图形比例1400图中 具有相同趋势. 红色颗粒代表滑动颗粒，蓝色颗粒代表非滑动颗粒. 24炉料运动的瞬态行为 可以看出，几乎所有的滑动均发生在风口高度以上 高炉内的炉料以向下运动为主，且时常伴随非 的区域及风口回旋区附近，在高炉下部的死焦堆内 连续性运动，如炉料颗粒间的瞬态滑动.连续相模 滑动颗粒较少，即颗粒间很少发生相对滑动.在死 型和冷态实验均无法对炉料的瞬态行为进行预测， 焦堆的表面聚集大量红色滑动粒子，形成了一个狭 而用于描述微观粒子运动的离散元法，则可以对颗 长的滑动粒子带，瞬态滑动行为时有发生.Shm 粒瞬态行为进行研究.按照库仑摩擦定律，当颗粒 等口也曾采用岩土理论，预测高炉内存在大的滑移 所受的切向力大于法向力与滑动摩擦因数的乘积 面，并通过滑动线来预测死焦堆的形状，可见在死焦 时，颗粒间将发生滑动.如式(8)所示，如果颗粒ⅰ堆表面确实存在大量滑动粒子. 所受的切向力大于法向力与滑动摩擦因数的乘积 2.5炉墙、炉底受力分析 即滑动指数S>1时，颗粒将滑动. 在高炉运行过程中，炉墙、炉底与炉料反复接 Fi 触、碰撞，因此将受到来自炉料的压应力.其计算公 slpFr (8) 式如下： 图6是在右侧10个风口作业下，高炉内炉料颗 G w=4F*/(D) (9)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 高炉内颗粒速度分布 Fig.4 DistributionofparticlevelocityinBF 图 ,图形比例 1∶400.从图 5(a)可以看出:与图 4中 死焦堆 (深蓝色区域 )相对应的区域处于网状结构 的高法向应力区 ,这种网状结构应力分布与 Nouchi 等 [ 11] 的研究结果一致 , 起到了支撑上部炉料的作 用 ;而右侧除炉身中部炉墙附近炉料外,均处于低法 向应力区域 .这是由于在左侧炉料下降过程中 ,伴 随有明显右向运动,对右侧炉身处炉料形成积压,使 其所受应力增大.同时 , 由于主流区内炉料运动速 度较快 ,从而弱化了颗粒间的有效接触,因此受到了 较小的法向应力.此外 , 由于上部应力的非对称性 分布,造成了炉缸内焦炭颗粒所受法向应力的非平 衡性,炉缸内左侧焦炭颗粒受力明显高于右侧焦炭 受力,致使左侧的无焦空间小于右侧无焦空间 ,进而 可能会影响炉缸内铁液的流动 .从图 5(b)可以看 图 5 高炉内颗粒受法向应力(a)和切向应力(b)分布纵向切面图 Fig.5 Distributionofnormalstress(a)andshearstress(b)betweenparticlesinBFinverticalsection 出, 颗粒所受的切向应力分布情况与法向应力分布 具有相同趋势 . 2.4 炉料运动的瞬态行为 高炉内的炉料以向下运动为主, 且时常伴随非 连续性运动, 如炉料颗粒间的瞬态滑动 .连续相模 型和冷态实验均无法对炉料的瞬态行为进行预测, 而用于描述微观粒子运动的离散元法 ,则可以对颗 粒瞬态行为进行研究 .按照库仑摩擦定律, 当颗粒 所受的切向力大于法向力与滑动摩擦因数的乘积 时, 颗粒间将发生滑动 .如式 (8)所示, 如果颗粒 i 所受的切向力大于法向力与滑动摩擦因数的乘积, 即滑动指数 Sli>1时 ,颗粒 i将滑动 . Sli = Ft, ij μFn, ij (8) 图 6是在右侧 10个风口作业下 ,高炉内炉料颗 粒滑动指数分布纵向切面图,图形比例 1∶400.图中 红色颗粒代表滑动颗粒,蓝色颗粒代表非滑动颗粒 . 可以看出,几乎所有的滑动均发生在风口高度以上 的区域及风口回旋区附近 , 在高炉下部的死焦堆内 滑动颗粒较少, 即颗粒间很少发生相对滑动.在死 焦堆的表面聚集大量红色滑动粒子, 形成了一个狭 长的滑动粒子带, 瞬态滑动行为时有发生 .Shimizu 等 [ 12] 也曾采用岩土理论 ,预测高炉内存在大的滑移 面 ,并通过滑动线来预测死焦堆的形状,可见在死焦 堆表面确实存在大量滑动粒子 . 2.5 炉墙、炉底受力分析 在高炉运行过程中, 炉墙 、炉底与炉料反复接 触 、碰撞 ,因此将受到来自炉料的压应力.其计算公 式如下 : σn, w =4Fn, iw /(πD 2 i) (9) · 1330·

第10期 范正赟等：高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 。1331° 了压应力的大小.灰色区域代表了非接触区，可以 看出，炉底接触粒子大多集中在左侧，使得炉底受到 了非平衡压应力作用.右侧的灰色非接触区明显大 于左侧，即右侧的炉墙附近的无焦空间大于左侧无 焦空间，可能会影响炉缸内铁液的流动. 图6高炉内滑动颗粒分布纵向切面图 Fg 6 Distri but ion of slp particles in BF in vertical section MPa 式中，F,和D份别为作用在炉墙、炉底的压力及与 图8炉底受到法向应力分布图 Fg 8 Distribition of nomma l stess actng on the botrm 炉墙、炉底接触的颗粒的直径. 本次计算仅对0~180范围内的炉墙的受力情 况进行了分析.图7是炉墙受到的法向压应力分布 3结论 图.可以看出：炉墙受到的压应力呈非对称分布，在 风口以上，0~90范围内，炉墙受到的应力主要集中 (1)在高炉内形成一种非对称的料面形状、料 在炉腹、炉腰以及炉身下部：而90~180范围内，压 层结构，使得非作业风口一侧炉身中下部处发生混 应力集中在炉身中部，炉腹、炉腰受到的压应力较 料现象 小.炉缸内，0~90炉墙受到的压应力小于90~ (2)与低速、高应力区相对应的死焦堆增高至 180炉墙受到的压应力.Shma和F等2-1在 炉身下部区域且在其表面附近形成了狭长的滑移 圆周方向焦炭均一消耗条件下，得到了圆周方向均 粒子带. 匀分布的炉墙压应力，且最大应力集中在炉腰处 (3)炉墙受到非均一分布的压应力作用，作业 因此，大型高炉圆周方向焦炭非均一消耗将改变炉 风口一侧炉身中部受力增大.炉底所受应力集中在 墙的受力情况，应该予以重视. 炉底中心且偏左侧，右侧的无焦空间大于左侧无焦 空间. 致谢感谢中国国家留学基金委员会为范正 赞提供留学奖学金，同时感谢日本东北大学为范正 15 赞提供良好的学习环境 10 参考文献 【刂ArymaT Mur路iB hii J et al Reduction ofCO,.emissons fiom integra ted stee lworks and its subjects for a fuure study ISIl ht200545(10片1371 MPa CundallPA StackODL A discrete nmerica lmalel pr granu 90° 180 lar assemblies Geoechnfe 1979 29(1)47 【到Zhau ZY Zhu HP Yu A B etal Discree partice smuhtion 图7炉墙受到法向应力分布图 of solid flow in a model blast fumace ISU Int 2005 45(12): F7 Distrbution of nomal stress acting on he wall 1828 图8是炉底受到的法向压应力分布图.图中的 4 MH YaamooK ShmosakaA et a]Malelng of solid par tice fov n blast fumace considering actual operation by lage 圆圈代表了炉缸内焦炭同炉底的接触区，颜色代表

第 10期 范正赟等:高炉圆周方向焦炭非均一消耗条件下固体流研究 图 6 高炉内滑动颗粒分布纵向切面图 Fig.6 DistributionofslipparticlesinBFinverticalsection 式中 , Fn, iw和 Di分别为作用在炉墙 、炉底的压力及与 炉墙 、炉底接触的颗粒的直径 . 本次计算仅对 0 ～ 180°范围内的炉墙的受力情 况进行了分析 .图 7是炉墙受到的法向压应力分布 图.可以看出 :炉墙受到的压应力呈非对称分布, 在 风口以上 , 0 ～ 90°范围内 ,炉墙受到的应力主要集中 在炉腹、炉腰以及炉身下部 ;而 90 ～ 180°范围内, 压 应力集中在炉身中部 , 炉腹、炉腰受到的压应力较 小.炉缸内 , 0 ～ 90°炉墙受到的压应力小于 90 ～ 180°炉墙受到的压应力 .Shimizu和 Fan等 [ 12--13] 在 圆周方向焦炭均一消耗条件下, 得到了圆周方向均 匀分布的炉墙压应力, 且最大应力集中在炉腰处. 因此 ,大型高炉圆周方向焦炭非均一消耗,将改变炉 墙的受力情况 ,应该予以重视 . 图 7 炉墙受到法向应力分布图 Fig.7 Distributionofnormalstressactingonthewall 图 8是炉底受到的法向压应力分布图.图中的 圆圈代表了炉缸内焦炭同炉底的接触区 ,颜色代表 了压应力的大小.灰色区域代表了非接触区 ,可以 看出,炉底接触粒子大多集中在左侧 ,使得炉底受到 了非平衡压应力作用 .右侧的灰色非接触区明显大 于左侧 ,即右侧的炉墙附近的无焦空间大于左侧无 焦空间 ,可能会影响炉缸内铁液的流动. 图 8 炉底受到法向应力分布图 Fig.8 Distributionofnormalstressactingonthebottom 3 结论 (1)在高炉内形成一种非对称的料面形状 、料 层结构 ,使得非作业风口一侧炉身中下部处发生混 料现象 . (2)与低速 、高应力区相对应的死焦堆增高至 炉身下部区域,且在其表面附近形成了狭长的滑移 粒子带 . (3)炉墙受到非均一分布的压应力作用 , 作业 风口一侧炉身中部受力增大 .炉底所受应力集中在 炉底中心且偏左侧, 右侧的无焦空间大于左侧无焦 空间. 致 谢 感谢中国国家留学基金委员会为范正 赟提供留学奖学金, 同时感谢日本东北大学为范正 赟提供良好的学习环境. 参 考 文 献 [ 1] AriyamaT, MuraiR, IshiiJ, etal.ReductionofCO2 emissions fromintegratedsteelworksanditssubjectsforafuturestudy.ISIJ Int, 2005, 45(10):1371 [ 2] CundallPA, StrackODL.Adiscretenumericalmodelforgranu￾larassemblies.Geotechnique, 1979, 29(1):47 [ 3] ZhouZY, ZhuHP, YuAB, etal.Discreteparticlesimulation ofsolidflowinamodelblastfurnace.ISIJInt, 2005, 45(12): 1828 [ 4] MioH, YamamotoK, ShimosakaA, etal.Modelingofsolidpar￾ticleflowinblastfurnaceconsideringactualoperationbylarge- · 1331·

。1332 北京科技大学学报 第32卷 scale discrete ekmentmetod ISIJ Int 2007 47(12):1745 ram eters of discrete ekmentm ethod fr blast fumace and its appli [5]Natsuis Ueda S FanZY et a]Sensitivity ana pysis of physical cation o the analysis on soli moticn aound raceway ISl Int Paran eters n discrete elem entm etlod compaed wit blast fumace 200949(9:1308 col model experments TetsL nHagane 2010 96(1):1 I 10]Natsuis Ueda S Fan Z Y etal Asmmetric solid fow and 6 Shm iuM Kmum Y IsobeM etal Solids fow in blast fumace stress distrbution n blast fumace smulaton by DEM BIJ Int under circumferental mba kance conditons Tetsu Hagane 201050(2):207 198773(15:1996 11]NouchiT SapT SaM eta]Suess feH and solid flow aal 【刀TakahashiH KawaiH FukuiT etal Ef很cts of uyee gas fow ysis of ooke packed bed n blast fumace based on DEM ISII Int rate and deadman properties on discontinuous behavior of descend 200545(10).1426 ng solid and gas static Pressure in blast fumace expermental I121 Shm iz M YaaguchiA haba S et al Dynam ics of burden am ysis by a threedmensicnal col mole]TetsuHagane materials and gas fbv n he bast fumace TetsL nHagane 200793(10,615 198268(8):936 I8 KawaguchiT Nishi S Tanaka T et a]Numerical smulation of 13]Fan ZY NatsuiS Ueda S et al Trnsientbehavior of burden wodm esonal fuidized beds_nfuence of olling frictiony/1993 descend ing and infuence ofcchesive amne thape on solid flov and Syunkikenkyuhappyoukaikoueyouhi Kyop 1993 106 stress distrbution n blast fumace by discete ekmentmethod 9 NatuiS Ueda OikawaM et al OPtmizatin of Physical pa S0ht201050(7).946

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 scalediscreteelementmethod.ISIJInt, 2007, 47(12):1745 [ 5] NatsuiS, UedaS, FanZY, etal.Sensitivityanalysisofphysical parametersindiscreteelementmethodcomparedwithblastfurnace coldmodelexperiments.Tetsu-to-Hagane, 2010, 96(1):1 [ 6] ShimizuM, KimuraY, IsobeM, etal.Solidsflowinblastfurnace undercircumferentialimbalanceconditions. Tetsu-to-Hagane, 1987, 73(15):1996 [ 7] TakahashiH, KawaiH, FukuiT, etal.Effectsoftuyeregasflow rateanddeadmanpropertiesondiscontinuousbehaviorofdescend￾ingsolidandgasstaticpressureinblastfurnace:experimental analysisbyathree-dimensionalcoldmodel.Tetsu-to-Hagane, 2007, 93(10):615 [ 8] KawaguchiT, NishiS, TanakaT, etal.Numericalsimulationof two-dimensionalfluidizedbeds-influenceofrollingfriction∥1993 Syunki-kenkyuhappyoukai-kouen-youshi.Kyoto, 1993:106 [ 9] NatsuiS, UedaS, OikawaM, etal.Optimizationofphysicalpa￾rametersofdiscreteelementmethodforblastfurnaceanditsappli￾cationtotheanalysisonsolidmotionaroundraceway.ISIJInt, 2009, 49(9):1308 [ 10] NatsuiS, UedaS, FanZY, etal.Asymmetricsolidflowand stressdistributioninblastfurnacesimulationbyDEM.ISIJInt, 2010, 50 (2):207 [ 11] NouchiT, SatoT, SatoM, etal.Stressfieldandsolidflowanal￾ysisofcokepackedbedinblastfurnacebasedonDEM.ISIJInt, 2005, 45(10):1426 [ 12] ShimizuM, YamaguchiA, InabaS, etal.Dynamicsofburden materialsandgasflowintheblastfurnace.Tetsu-to-Hagane, 1982, 68(8):936 [ 13] FanZY, NatsuiS, UedaS, etal.Transientbehaviorofburden descendingandinfluenceofcohesivezoneshapeonsolidflowand stressdistributioninblastfurnacebydiscreteelementmethod. ISIJInt, 2010, 50(7):946 · 1332·